微波輔助提取植物多酚技術(shù)的研究進(jìn)展

◎ 江華明

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 食品與生物技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

多酚是一類分子結(jié)構(gòu)中含有若干個(gè)酚羥基的植物成分的總稱，是植物性食物中由莽草酸/苯丙酸或聚酮途徑產(chǎn)生的最大的次生代謝產(chǎn)物家族，具有感官、健康和工業(yè)價(jià)值。研究表明，特定多酚有益于健康狀況，食用富含多酚的食物可以預(yù)防心血管疾病、糖尿病、肥胖癥等疾病，特別是在某些慢性病的預(yù)防和管理領(lǐng)域具有更多的可能性[1-2]。

目前多酚常規(guī)提取技術(shù)包括索氏提取、浸漬和水蒸氣蒸餾，這些方法既耗時(shí)又需昂貴的設(shè)備，還需高純度溶劑，因此開發(fā)提取時(shí)間短、低能耗、提取率高的多酚提取方法具有重要意義。常用的綠色提取技術(shù)主要有微波輔助提取技術(shù)（Microwave-Assisted Extraction，MAE）和超聲波輔助提取技術(shù)，其中微波技術(shù)比超聲技術(shù)更具優(yōu)勢，可在更短時(shí)間內(nèi)提取含量更多的多酚。MAE是一種利用微波從植物材料中提取可溶性物質(zhì)的新方法，與傳統(tǒng)提取方法相比，具有提取時(shí)間短、溶劑消耗少、提取率高、提取反應(yīng)產(chǎn)物CO2水平低等優(yōu)點(diǎn)，提取的多酚生物活性保留好、操作溫度低、能耗低，是一種符合美國環(huán)保局制定標(biāo)準(zhǔn)的綠色技術(shù)[3]。MAE利用電磁波引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化，通過離子傳導(dǎo)和偶極旋轉(zhuǎn)直接作用于分子，極性分子吸收能量從而破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)[4]。本文討論MAE在植物多酚提取中的作用機(jī)制及其對植物多酚的提取率、生物活性和組成的影響，以期為MAE在提取植物多酚中的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

1 微波輔助萃取技術(shù)的作用機(jī)制研究進(jìn)展

MAE使用于0.3～300 GHz振蕩的磁場和電場，即在0.3～300 GHz范圍內(nèi)垂直循環(huán)的非電離波，當(dāng)電磁波與極性化合物相互作用時(shí)會產(chǎn)熱，熱量通過離子或偶極旋轉(zhuǎn)傳遞[5-6]。加熱導(dǎo)致氫鍵破裂和離子遷移，從而增加溶劑在樣品中的滲透率，使待提取物更易提取出來，減少所需的時(shí)間和溶劑量，從而提高回收率并節(jié)約能源[7-8]。MAE有利于通過破壞細(xì)胞壁從植物基質(zhì)中擴(kuò)散不耐熱的化學(xué)成分。

MAE提取過程分為平衡階段、中間過渡階段和擴(kuò)散階段。①在平衡階段時(shí)，通過增加溫度或輻照功率，目標(biāo)溶質(zhì)以恒速從植物活性中心分離出來，此階段涉及增溶和分配現(xiàn)象。②在中間過渡階段則以對流和擴(kuò)散傳質(zhì)為主，溶質(zhì)從原料擴(kuò)散到溶劑中，傳質(zhì)阻力開始出現(xiàn)固-液界面。③在擴(kuò)散階段，溶質(zhì)從固體基質(zhì)分離擴(kuò)散到提取溶劑中[4]。作用機(jī)制有以下6個(gè)步驟，包括溶劑滲透到固體基質(zhì)中、組分增溶/或分解、溶質(zhì)從固體基質(zhì)中遷移出來、提取的溶質(zhì)從固體外表面遷移到主體溶液中、提取物相對于固體基質(zhì)運(yùn)動及提取物和固體基質(zhì)分離[6,9]。MAE在實(shí)際樣品檢測中的步驟一般從樣品準(zhǔn)備開始，進(jìn)入提取程序、清理過程、后處理（如離心樣品、過濃縮濾提取液等），最后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 微波輔助技術(shù)提取植物多酚研究進(jìn)展

2.1 微波輔助提取技術(shù)對植物多酚提取率的影響

傳統(tǒng)的多酚提取技術(shù)需要長時(shí)間浸提，耗時(shí)耗力且提取效率低下，近年來，MAE作為綠色提取技術(shù)被廣泛應(yīng)用于提取多酚中。利用微波和傳統(tǒng)溶劑提取相結(jié)合，具有減少提取時(shí)間、針對性加熱、減少溶劑消耗及提取率高等優(yōu)點(diǎn)，是提取多酚的有效方法。

研究表明，MAE利用電磁波與極性化合物相互作用時(shí)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致氫鍵破裂和離子遷移，從而增加溶劑在樣品中的滲透率，使待提取物更易提取出來，減少所需的時(shí)間和溶劑量，從而提高回收率并節(jié)約能源，而加熱還會破壞細(xì)胞基質(zhì)，使多酚更易從植物組織中釋放出來。?ZBEK等[10]采用微波輔助溶劑萃取法（Microwave-Assisted Solvent Extraction，MASE）從開心果殼中提取酚類化合物，并與傳統(tǒng)的溶劑提取法進(jìn)行比較，其中MASE法提取得率為51.67%，CSE得率為42.85%，微波輻射通過離子傳導(dǎo)和偶極旋轉(zhuǎn)引起分子運(yùn)動從開心果殼中高效提取極性化合物。微波輔助提取多酚受多種因素影響，如微波功率、頻率和輻射時(shí)間、植物基質(zhì)特性、溶劑組成和濃度、料液比、提取溫度和壓力等。在利用橙渣和石榴汁提取多酚的實(shí)驗(yàn)中，由于微波功率增大使溶劑更易滲透到植物結(jié)構(gòu)中，因此增加微波功率會促使總多酚提取量增加；而隨著水渣比的增加，提取率也增加，但比例超過一定限度時(shí)，總多酚的提取量逐步下降，此現(xiàn)象由暴露在微波下的橙渣體積過多，使橙渣的波浪效應(yīng)降低所導(dǎo)致[11]。

目前MAE技術(shù)已用于食品中包括多酚在內(nèi)的多種活性物質(zhì)的提取，MAE的最佳操作條件確定通常是通過統(tǒng)計(jì)優(yōu)化研究來進(jìn)行的，通過嚴(yán)格控制操作條件使MAE在實(shí)際生產(chǎn)過程中獲得對多酚更高的提取率，還能最大程度保留其生物活性。

2.2 微波輔助提取技術(shù)對植物多酚生物活性的影響

隨著現(xiàn)代飲食結(jié)構(gòu)的變化，人體亞健康問題已經(jīng)成為重大社會問題，研究表明，人體氧化過程會損害體內(nèi)的組織和細(xì)胞，從而導(dǎo)致慢性疾病和老化效應(yīng)，植物多酚具有抗氧化、抑菌等活性和降血脂、抗癌等作用[12-13]。多酚由于其氧化還原特性，可用作供氫劑、還原劑和單線態(tài)氧猝滅劑，起著關(guān)鍵抗氧化作用。

多酚類物質(zhì)能清除體內(nèi)自由基，降低血脂水平，有效調(diào)節(jié)人體免疫系統(tǒng)，維持人體的正常功能。利用微波提取桔梗根中的多酚并測定其體外抗氧化活性，并與傳統(tǒng)水提法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)采用MAE技術(shù)提取的桔梗根多酚抗氧化能力較強(qiáng)，其IC50值分別為329.918 μg·mL-1、0.076 μg·mL-1、10.129 μg·mL-1及0.164 μg·mL-1，為桔梗功能性產(chǎn)品開發(fā)提供一定的指導(dǎo)與依據(jù)[14]。LIN等[15]進(jìn)行草莓葉中具有抗氧化活性的酚類化合物的微波提取優(yōu)化研究，在最佳條件下，自由基抑制率為79.80%±3.67%。MAE提取多酚，不僅酚類物質(zhì)回收率高，而且具有更好的抗氧化活性。

抗生素的濫用易導(dǎo)致臨床病原菌產(chǎn)生強(qiáng)耐藥性，因此從天然產(chǎn)物中篩選抗菌藥物成分已成研究熱點(diǎn)。研究表明，多酚具有良好的抑菌作用，且呈現(xiàn)廣譜抗菌特性[16]。SAHIN等[1]研究無溶劑微波輔助提取技術(shù)在最佳提取條件下得到的橄欖葉提取物的抑菌活性，其中金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的最小抑菌濃度為1.25 mg·mL-1。研究者還發(fā)現(xiàn)橄欖葉中所提取的多酚對細(xì)菌和真菌具有重要的濃度依賴性和抗菌活性。MAE提取時(shí)間、微波功率、料液比等因素不僅影響多酚提取率，還會導(dǎo)致多酚生物活性變化。SILVA等[17]通過優(yōu)化微波輔助提取孜然海棠葉多酚的方法，以增強(qiáng)多酚對敏感和耐藥菌株的抑菌活性，結(jié)果表明，MAE條件優(yōu)化后所有受試微生物對多酚均敏感，證明MAE提取條件的優(yōu)化對多酚的抗菌活性有促進(jìn)作用。

綜上所述，MAE對多酚生物活性的改進(jìn)具有促進(jìn)作用，MAE提取的多酚可作為天然抗氧化劑和抑菌劑的潛力，對食品和臨床醫(yī)藥行業(yè)具有重要意義。

2.3 微波輔助提取技術(shù)對植物多酚組成的影響

多酚是具有苯環(huán)并結(jié)合多個(gè)羥基化合物結(jié)構(gòu)的物質(zhì)總稱，主要通過莽草酸和丙二酸途徑合成，包括黃酮類、類黃酮類、單寧類、酚酸類及花色苷類等物質(zhì)。

MAE作為一種環(huán)境友好的提取工藝廣泛應(yīng)用于植物多酚中的提取，研究表明MAE不影響多酚提取物的組成，且提取條件不會影響多酚的組成和結(jié)構(gòu)。PAL等[18]研究從芒果皮中利用MAE與常規(guī)提取方法所提取多酚中芒果苷含量，數(shù)據(jù)表明，常規(guī)方法提取物中芒果苷含量為0.930 1 mg·g-1，而MAE法提取物中芒果苷含量為0.930 1 mg·g-1，說明MAE法不會影響多酚提取物的含量組成。MAE的高提取率是其典型優(yōu)勢，ASOFIEI等[19]使用高效液相色譜對MAE和毛細(xì)管電泳法所得提取物的第一、四級進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)MAE提取物中所有鑒定組分量都更高。沙棘葉提取物的主要成分為沒食子酸、兒茶素、對香豆酸和阿魏酸、蘆丁、山奈酚-3-O-葡萄糖苷、異鼠李素-3-O-葡萄糖苷和槲皮素，其中沒食子酸是主要的多酚物質(zhì)，其次是兒茶素。在提取毛竹筍中多酚作抗氧化劑的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，MAE提取物比常規(guī)提取物富含更多的多酚類化合物，尤其是在320 nm處吸收的多酚類物質(zhì)，即烴基肉桂酸（即咖啡酸、綠原酸和p-香豆酸）或黃酮（即芹菜素和木犀草素苷）家族[20]。

MAE的高提取率是熱梯度和質(zhì)量梯度協(xié)同作用的結(jié)果。使用MAE提取多酚類化合物不僅不影響多酚提取物的組成，還能通過其特殊作用機(jī)制提高多酚提取物各組分含量，提高多酚提取物的生物活性。

3 結(jié)語

MAE作為一種綠色提取技術(shù)已廣泛應(yīng)用于植物多酚的提取中。MAE提取多酚具有提取時(shí)間短、回收率高、提取溶劑消耗少及產(chǎn)生廢物少等優(yōu)勢，微波通過偶極旋轉(zhuǎn)和離子傳導(dǎo)迅速升高植物細(xì)胞內(nèi)的溫度，導(dǎo)致細(xì)胞壁破裂，促進(jìn)化合物釋放到溶劑中。MAE在提高多酚提取率的同時(shí)，不會影響多酚提取物的組成和生物活性，甚至通過優(yōu)化MAE的提取條件能夠促進(jìn)多酚的生物活性，提高其抗氧化性和抗菌性。然而MAE作為一種輔助提取技術(shù)需要與一種溶劑分離法共用，現(xiàn)有研究設(shè)計(jì)了一種無溶劑微波輔助提取技術(shù)并進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果初有成效。MAE的特殊提取特性在某些情況下會影響不耐熱的物質(zhì)，造成其生物活性和產(chǎn)率的損失，因此要嚴(yán)格控制MAE反應(yīng)條件，同時(shí)研究者對MAE提取條件優(yōu)化的研究仍是熱點(diǎn)之一。隨著工業(yè)綠色化的進(jìn)程，生態(tài)友好的提取技術(shù)MAE在食品加工中提取多酚已是研究熱點(diǎn)，將該技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)中實(shí)現(xiàn)植物多酚產(chǎn)業(yè)升級具有重大意義。